ZnO薄膜的光电性能及应用

ZnO薄膜的应用
Because of its diverse properties, both chemical and physical, zinc oxide is widely used in many areas. It plays an important role in a very wide range of applications, ranging from tyres to ceramics,from pharmaceuticals to agriculture, and from paints to chemicals.
Worldwide consumption of zinc oxide
ZnO薄膜的应用
ZnO晶体结构和光电特性，在光显示、光照明、光存储以及光探 测等领域具有诱人的应用前景：
ZnO薄膜的应用
ZnO由于它的直接带宽禁带3.37ev， 紫外强烈吸收，可见光范围可以透 过，因此,在可见光区具有很高的透 过率，可以制备透明导电薄膜。Al 掺杂ZnO薄膜的电阻率较低10.4Qcm， 可见光透过率高大于80％，有的甚 至大于90％。因为它的原料丰富， 成本低廉，Al掺杂的ZnO薄膜将会成 为ITO薄膜的替代品。 ZnO薄膜是透明导带薄膜，在可 见光波长范围内的透过率达90％。 是太阳能电池的透明电极和窗口材 料。
ZnO薄膜的应用
湿度传感器
右图为ZnO薄膜湿 度传感器的结构示意 图。它是在陶瓷、玻 璃等绝缘基片上形成 一对叉指的检测电极， 再在叉指电极上部覆 盖用作湿敏元件的 ZnO薄膜。
ZnO薄膜湿度传感器的结构
ZnO薄膜的应用
ZnO镀膜光纤传感器
右图所示为ZnO镀膜 光纤传感器的几何结构， 其中的压电层为氧化锌 镀膜层，当内电极层和 外电极层之间的电压发 生变化时，光纤内产生 振荡声波，使得光纤的 折射率改变，在有光信 号通过时，其相位发生 变化，其本质是一种声 光谐振器。
ZnO薄膜在各种温度下的沉积和退火样品的光透射光谱
光电性质的影响因素
结论：
1.退火处理可以改善ZnO膜的形貌，从AFM和SEM图像显而易 见。氧化锌薄膜在可见波长范围内有高达85％的光透射。 2. XRD结果表明该膜是（002），（101）和（102）方向的优先 取向的多晶，但是退火温度增加到400℃以上，（002）方向更显 着。因为退火处理的ZnO薄膜显示出良好的结构和光学性能 是因为其具有更光滑的表面。 3.基于结果，可以得出结论ZnO薄膜适用于太阳能电池应用，在 退火时应该将带隙调节到合适的值。 4 .除180℃沉积温度下制备的样品以外，其他温度下制备的ZnO 薄膜在可见光区域的透过率均接近甚至高于80％ 。
与缺陷或杂质有关的深能级有关。
ZnO薄膜的光电性质
为分析ZnO薄膜的综合光电特性，引入品质因 子作为量化ZnO薄膜综合光电特性的指标：
式中FTC ,RS,T 分别为样品的品质因子，方块电 阻,透光率。其中Ｔ的取值为样品在360 ~ 960 nm波长范围内的平均透光率。FTC的值越大,样 品的综合性能越好 .
ZnO薄膜的光电性质
蒸发铝膜、导电漆膜、印制电路板铜箔膜等薄膜状 导电材料，衡量它们厚度的最好方法就是测试它们的方 阻。什么是方阻呢？方阻就是方块电阻，指一个正方形 的薄膜导电材料边到边之间的电阻，如图所示，即B边 到C边的电阻值。方块电阻有一个特性，即任意大小的 正方形边到边的电阻都是一样的，不管边长是1米还是 0.1米，它们的方阻都是一样，这样方阻仅与导电膜的厚 度等因素有关。
量子效应
电致发光 光致发光
透明导电膜
电极
电极修饰
增透膜 保护膜
薄膜太阳能电池
增加光吸收 增加光出射
ZnO薄膜简介
极性较强的半导体材料，由于导带自由电子和价带自由
空穴之间的库仑作用，使它们束缚在一起构成激子，在半
导体材料可以自由移动的叫做自由激子。由于电子的有效 质量小于空穴的有效质量，自由激子的结构中，电子围绕
ZnO薄膜的光电性质
纯净的理想化学配比的ZnO由于带隙较宽，是绝缘体，而不是 半导体，但是由于本身的缺陷，如氧空位、锌填隙等施主缺陷，使 其常常表现出N型导电。 在ZnO晶体的空位形成过程中，由于形成氧空位所需的能量比形 成锌空位所需的能量小，因此，在室温下ZnO材料通常是氧空位， 而不是锌空位。而氧空位产生了2价施主，使其表现出N型导电。同 时根据自补偿原理，氧空位的浓度和氧填隙的浓度之积是常数，当 氧空位的浓度很大时，氧填隙的浓度很小。锌空位的浓度较小，而 锌填隙的浓度则较大，因此，当在ZnO的晶体中氧空位占主导时， 表现出N型导电。
姜鹏峰 16722159
2017.2.24
目录
ZnO薄膜简介
ZnO薄膜的光电性质 光电性质的影响因素
ZnO薄膜的应用
ZnO薄膜简介
Z n O晶体结构
其晶体的空间结构中，每个Zn ZnO薄膜的截面FE—SEM图， 原子和四个O原子按四面体排布。
ZnO薄膜简介
氧化锌是宽禁带半导体材料，室温下的禁
带宽度约3.3eV ，大于可见光的光子能3.10eV ，
光电性质的影响因素
退火温度
沉积温度
温度能对反应分子起到活化作用,对形成良好的晶体有 很大的影响。用改进的CVD法制备ZnO薄膜, 要SiO2表面从 390℃到550℃不同条件下沉积ZnO薄膜, 均能得到C轴取向
一致的ZnO薄膜,但温度不同, 其取向度不同,衬底温度为
550℃时, 结晶状况最好。
压电薄膜传感器示意图
ZnO薄膜的应用
近年来，短波长激光器成为半导体 激光器研究的一个热点。如ZnSe基量 子阱激光器。但是寿命较短，要进一 步提高，难度很大。主要是在于ZnSe 是一种离子性很强的晶体，容易产生 损伤，在受激发射运行时，容易因温 度的升高而造成缺陷的大量增加。ZnO 是短波长发光器件材料，可以制作ZnO 基发光二极管，并实现了同质结构 P．I．N结的室温紫外电致发光，在室 温下观察到从紫光到绿光的电致发光。
ZnO薄膜的应用
压电传感器
所示ZnO压电薄膜表面 微机械传感器示意图。这种 新结构的器件既充分发挥了 表面微机械加工技术的优点, 又可利用ZnO材料的多功能 特性，与用体微机械技术制 作的集成化ZnO器件相比,可 大大简化其制作工艺和减小 器件尺寸,为研制集成ZnO薄 膜器件提供了一种有效的手 段。
ZnO镀膜光纤传感器的几何结构
THANK YOU
2017.2.25
ZnO薄膜简介 薄膜的光电性质
ZnO高熔点的物理特性，具 有很好的热化学稳定（1975℃）。 ZnO薄膜可在低于600℃下获得， 有利于降低设备成本，可大大减 少高温制备条件下产生的缺陷， 提高薄膜质量。 ZnO是至今为止Ⅱ-Ⅵ族半导体 材料中最硬的一种，机械性能优 良。
ZnO薄膜简介 薄膜的光电性质
ZnO薄膜Baidu Nhomakorabea介
ZnO薄膜简介
ZnO薄膜简介
优点：设备简单，操作简单，容易掺杂， 可以制备大面积的薄膜，成本低。 缺点：燃烧不完全会残留炭，以及化学原 料中引入的。
硝酸锌、乙酸锌等为锌源，异丙醇、甲醇、乙 二醇等作为溶剂，单乙醇胺等作为稳定剂。
ZnO薄膜简介
ZnO薄膜简介 薄膜的光电性质
宽带隙使ZnO在可见光波段 (400~800nm)有高达80%的光学透过 率，ZnO材料高激子结合能使其在 室温下的受激辐射能在较低阈值出 现，是一种理想的紫外光发射材料。
空穴旋转，与氢原子类似。
ZnO的光致发光谱通常有紫外发射带和可见光发射带。紫外发射
带是来自于近带边的发射，是由于激子的复合。可见光发射带通常
与缺陷或杂质有关的深能级有关。
ZnO薄膜简介
ZnO薄膜主要用于太阳能电池，它与之前所 用的氧化铟锡( ITO) 和二氧化锡透明导电薄膜 相比，具有生产成本低，无毒，稳定性高( 特 别是在氢等离子体中) ， 对促进廉价太阳电池 的发展具有重要意义 。
因此在可见光波段( 400nm－800nm) ZnO的透
射率很高。
此外， ZnO的一个突出特点是具有高60meV
的激子束缚能，使激子在室温稳定存在，能够
实现高效的室温激子复合发光。
ZnO薄膜简介
ZnO的可见紫外吸收光谱
ZnO薄膜简介 ZnO在我们可能涉及领域的应用
发光材料
宽禁带 蓝绿、蓝紫、紫外LED 白光LED、OLED 柔性OLED等发光器件 OPB，复合OPB TFT LED、OLED等 阳极 阴极
极性较强的半导体材料，由于导带自由电子和价带自由 空穴之间的库仑作用，使它们束缚在一起构成激子，在半
导体材料可以自由移动的叫做自由激子。由于电子的有效
质量小于空穴的有效质量，自由激子的结构中，电子围绕 空穴旋转，与氢原子类似。
ZnO的光致发光谱通常有紫外发射带和可见光发射带。紫外发射 带是来自于近带边的发射，是由于激子的复合。可见光发射带通常